Les détectives magnétiques

La lecture du moulinet augmentait progressivement. Jusqu'à ce que ce ne soit plus le cas. En fait, il a soudainement chuté. "Oh-oh", se souvient Giorgio Ambrosio. "Houston nous avons un problème."

Ambrosio est un scientifique du Laboratoire national des accélérateurs Fermi du Département américain de l'énergie qui supervise l'assemblage des aimants construits aux États-Unis pour la mise à niveau à haute luminosité du Grand collisionneur de hadrons. En doublant le nombre de protons à l’intérieur du LHC et en améliorant la dynamique des faisceaux, cette mise à niveau multipliera par 10 les ensembles de données expérimentales. Cela permettra aux physiciens d’étudier des phénomènes physiques rares et d’en apprendre davantage sur l’origine de la masse et de la matière dans l’univers.

La mise à niveau du HL-LHC nécessite 150 nouveaux aimants accélérateurs. Aux États-Unis, le projet de mise à niveau de l'accélérateur LHC construit de nouveaux aimants de focalisation, qui compresseront le faisceau juste avant les collisions et seront deux fois plus puissants que leurs prédécesseurs.

Mais le nouvel aimant de focalisation qu'Ambrosio et ses collègues américains testaient avait échoué ; l'aimant était mort.

Les électro-aimants de 5 mètres de long doivent transporter 16 530 ampères de courant, soit à peu près autant qu’un éclair. Parce qu’ils deviennent supraconducteurs lorsqu’ils sont refroidis à de très basses températures, les aimants peuvent transporter cet énorme courant sans générer de chaleur. Des scientifiques comme Ambrosio introduisent et augmentent progressivement le courant pour tester et « entraîner » les aimants avant utilisation.

Ambrosio et ses collègues, comme Alice Moros, chercheuse au CERN, savent que « les choses qui ne fonctionnent pas » font partie du processus scientifique, en particulier lorsqu'on travaille avec une technologie complexe, unique en son genre et non disponible dans le commerce. "Un aimant, comme tout le reste dans le monde, ne peut pas être parfait", explique Moros.

L’équipe américaine a donc mis l’aimant de côté et a commencé à en tester un autre. Encore une fois, le courant a augmenté, et encore une fois, il a soudainement chuté. Ils essayèrent de le ranimer, mais le courant refusa de monter : un deuxième aimant était mort.

"Le pire, c'est que cela s'est produit deux fois, sur deux aimants, consécutivement", explique Ambrosio. "J'avais l'impression d'être sur le Titanic après avoir rencontré l'iceberg."

Était-ce juste deux coïncidences malheureuses ? Ou bien une faiblesse dans la conception des aimants était-elle sur le point de faire couler l’ensemble du projet de mise à niveau du LHC ? Trouver le coupable était vital : l’avenir du programme de recherche du LHC en dépendait.

La production des aimants de focalisation HL-LHC implique des centaines d’étapes sur une période de six mois. Le problème aurait pu provenir de n’importe quelle partie du processus.

Ambrosio et ses collègues ont porté leur attention sur le premier aimant tombé en panne. Quels secrets sa disparition prématurée pourrait-elle révéler ? «Nous avons immédiatement commencé l'enquête», explique Ambrosio.

Suspect non. 1 : l'enroulement du câble.

Chaque bobine magnétique est constituée d’un seul câble enroulé 50 fois dans le sens de la longueur autour d’un pôle en titane de 4,2 mètres de long. Le câble est délicat car il est constitué de 40 fils torsadés remplis de filaments cassants de niobium-étain. Si l’un de ces fils se déplaçait, cela pourrait créer un point de pincement qui compromettrait l’ensemble de la bobine.

Dans la bobine cassée, « nous avons dû réparer un fil deux fois pendant le bobinage », explique Ambrosio. « Nous nous sommes donc posé la question : est-ce que le fil a encore bougé ? »

Suspect non. 2 : un retard inattendu.

Après le bobinage, les techniciens transforment la bobine brute en un aimant supraconducteur fonctionnel et robuste grâce à des traitements thermiques, à l'application de liants et à la soudure des composants. Le bobinage et le durcissement prennent généralement quelques semaines, mais leur victime se trouvait être celle sur laquelle ils travaillaient lorsque le COVID a frappé pour la première fois.

« Nous avons commencé la fabrication des bobines, puis avons dû l'arrêter pendant 12 semaines », explique Ambrosio. "C'est assez inhabituel... Mais est-ce que cela a eu un impact ?"

Suspect non. 3 : une symétrie brisée.

Les aimants de focalisation étaient des quadripôles, ce qui signifie qu'ils étaient chacun constitués de quatre bobines distinctes assemblées pour former un cylindre long et creux. Lorsque l'aimant est allumé à plein courant, des forces électromagnétiques tirent les extrémités des quatre bobines avec une force de 100 tonnes.